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关于高功率LED封装的高效散热技术

日期:2012-06-20

作者 Oon Siang Ling,
Optoelectronic Product Division,
Avago Technologies, Penang, Malaysia

高功率高亮度发光二极体(LED)以其出色的色彩饱和度和使用寿命长的特点正渗透到一些照明应用中。然而,对热设计师来说,防止LED过热是最具挑战性的任务。因此,通过计算申博动力(CFD)模拟LED组件在应用设计过程中变得越来越重要。本文分别比较了有散热器和无散热器时在星型金属芯印刷电路板(MCPCB)上使用高功率LED封装的实验结果。比较讨论之后,就带散热器时LED封装的散热建模技术案例做了阐述。 CFD建模结果充满了希望,并说明这种技术可用于LED系统级的评估。本文还讨论了在LED封装中使用散热介面材料的影响。

 

 

预测LED热性能正成为帮助缩短上市时间所不可或缺的一种能力。然而,随着热通量和封装密度日益增加,LED封装模块的散热正变得越来越具挑战性,热分析和LED模块设计也变得越来越重要。因此,在设计早期CFD仿真已成为一种广泛使用的电子产品热分析方法。CFD与申博流动的数值分析,热传导和其他相关过程如辐射一同受到关注。

 

本文介绍了生成带有散热器的高功率LED星型封装所需完成的工序。首先,生成详细的LED封装星型衬底模型,然后在LED星型封装底部生成散热器。最后,将模拟数据同实验数据相比较。另外我们所关注的方面是LED封装上散热介面材(TIM)产生的影响。目的是显示不同焊线厚度(BLT)下TIM的特点和陷入TIM内的空隙的百分比。

热建模技术

 

 

使用Flotherm——来自Flomerics公司的CFD工具,模拟LED封装即星型衬底(MCPCB)。建立详细模型,以比较与实际测量值的错误百分率。图1所示为LED封装配置。焊料填补在封装和衬底间。当封装达到最大功率1.3瓦时,标准自然和强迫对流空气冷却都无法将结温保持在可接受范围之内,即125℃及以下。 附加的散热器作用在于帮助达到申博要求。为了在LED上安装散热器,需将热粘合带连接到散热器背面,并将该散热器安放在LED衬底底部。

 

网格,边界条件

 

 

对于CFD分析,下列属性可假关注:三维,稳态,静态气流和空气属性是常数,环境申博为25度,计算域为305 x 305 x 305毫米,且通过自然对流,传导和辐射进行散热。

 

带有详细散热器模型的LED封装衬底的总网格单元大约为200000。对于网格单元的生成,建议散热器翅片间至少采用三个单元。

申博计算

计算申博值,需测量垂直通过芯片,芯片连接层,管芯焊盘,散热介面材,散热器和电介质层直到衬底的热流情况。每一层都具有自己的热特性(见表1)。通过使用下列方程,可计算得到从芯片(交界处)到四周的申博值。

RJA代表热量如何从LED芯片向四周消退,这意味着较低的RJA值意味着更好的热性能。图2所示的是三维和二维截面封装结构。

数值模拟 vs 实际试验

LED封装安装在星型MCPCB上。散热器是典型的翅片式,共有110个翅片,其底座是由挤压铝制成,采用热粘合带将其连接到星型MCPCB背面。该封装以1.2瓦功率驱动,通过封装金属芯上的热电偶来测量焊接点申博(Tmetalslug)。只有在申博达到饱和后才能进行测量。

 

 

表1所示的是仿真模型的测量数据比较。当模拟申博高于测量申博时,它表明数值模型无法考虑到一些冷却现象。

 

TIM的影响

热量从LED封装扩散到电路板或散热器过程中TIM发挥了关键性作用。图2中,TIM1位于LED封装和衬底间。使用不同的热导率值和不同的焊线厚度进行仿真模拟。

 

 

如图3所示:衬底上带有散热器的Moonstone封装,随着焊线厚度的增加, TIM1热传导率对介面申博的影响也不断增加,这表明,随着焊线厚度的增加,申博增加对热传导率更为敏感。不过,不同热传导率值和不同焊线厚度的影响并不显著。

 

两不一致的固体表面间的空隙会减少热传导,而TIMs符合相邻固体表面的微观表面轮廓,并增加LED金属片(热源)与金属芯PCB/FR4 PCB(散热器)间的接触面积。因此,它能够减少接触面积的温降。

热设计考虑

除利用TIMs提高热性能以外,以下是其它热设计方面的改进:散热器的几何形状和表面构造,以及它的方向位置;系统采用封闭式空气流动路径设计,促进自然对流冷却;使用能动式制冷系统,如风扇和热管,消除热空气,增加自然对流冷却。

本文阐述如何将CFD建模技术用于模拟带有散热器的LED星型封装。结果表明,该仿真模型为实际测量提供了可喜的成果。CFD是一个很好的工具,它协助设计工程师将功率式LED用于实际应用,工业应用中其误差率也是可接受的。随着焊线厚度增加,与TIM热导率相比,申博的增加对接触面积更为敏感,陷入TIM1内的空隙百分比(高达15%)也是可接受的,且它不会造成任何显著的热性能下降。

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